Что такое MIDI-события и зачем они нужны. Что еще может MIDI

Первая часть цикла статей, подробно рассказывающих о протоколе MIDI.

Почти с самого своего рождения протокол MIDI (Musical Instrument Digital Interface - цифровой интерфейс музыкальных инструментов) стал стандартом для всей электромузыкальной промышленности с невиданной до того степенью совместимости. Такой совместимости до сих пор нет даже у электрических лампочек, сетевых и телефонных розеток. Ситуация сейчас такова, что если выпускается электромузыкальное устройство, несовместимое с MIDI, оно обречено быть оторванным от остального мира.

Причина, по которой MIDI на протяжении двадцати лет имеет ошеломляющий успех, проста - протокол был очень тщательно разработан, прежде чем предстать перед публикой. В нем нет "дыр", а требования к аппаратной реализации и взаимодействию устройств четко определены и не могут быть трактованы двояко. Кроме того, MIDI не принадлежит одной компании, а является продуктом целой ассоциации производителей.

Основная предпосылка к появлению MIDI состояла в насущной потребности музыкантов того времени управлять с одной клавиатуры несколькими синтезаторами одновременно. При этом от разработчиков требовалось, чтобы соединение инструментов было простым, а сам интерфейс надежным и недорогим. Сейчас, по прошествии двадцати лет, можно уверенно заявить: эти условия для своего времени были выполнены разработчиками идеально.

Протокол MIDI разрабатывался как простое, недорогое и надежное средство для управления одним синтезатором с другого.

Это нужно вспоминать всякий раз, когда возникают вопросы и недоумения "а почему в MIDI это сделано именно так?". Тем более, вспоминать основное предназначение MIDI нужно перед тем, как критиковать протокол. А критиковали MIDI с самого его рождения и критикуют до сих пор, особенно по поводу слишком медленной передачи данных и ритмической неточности. Тем более в свете современных технологий. Достоинства и недостатки протокола, способы их преодоления и альтернативы MIDI - настолько обширная тема для обсуждения, что этому будет посвящена отдельная статья.

Несмотря на все недостатки, MIDI и сегодня вполне успешно выполняет свое предназначение. И не только - сфера применения протокола давно уже не ограничивается управлением синтезаторами. По MIDI управляются многие процессоры эффектов, микшерные пульты, даже осветительные, пиротехнические приборы и дымовые машины. Что уж говорить о персональных компьютерах и связанной с ними индустрии мультимедиа! Сейчас уже в порядке вещей скачать из интернета MIDI-файл в качестве звонка для мобильного телефона. Не удивлюсь, если в скором времени можно будет скачать MIDI-файл для управления кухонным комбайном…

Мир до MIDI
Середина 60-х - начало 70-х годов прошлого века были временем появления и бурного расцвета электромузыкальных инструментов. На сцене и в студии к уже широко используемым электрогитарам и электроорганам добавился принципиально новый тип музыкальных инструментов - синтезатор. Первые синтезаторы были очень сложны в настройке, перевозке и обслуживании, но они дали музыкантам то, что нельзя было получить никак иначе, - новые, свежие звуки.

Все синтезаторы тех лет были монофонические, то есть могли производить только одну ноту одновременно. Для воспроизведения нескольких звуков или музыкальных партий одновременно приходилось ухищряться. В сущности, были только два способа сделать это: либо использовать несколько синтезаторов (а в случае модульных синтезаторов покупать для каждого голоса отдельный генератор), либо записывать партию каждого голоса на многодорожечный магнитофон.

Синтезаторы в то время были полностью аналоговые, все внутренние их блоки (звуковые генераторы, генераторы огибающей, фильтры) управлялись напряжением. Например, звуковой генератор инструмента при подаче напряжения в 1 В мог давать высоту тона 100 Гц, 2 В - 200 Гц, 3 В - 400 Гц и так далее. Очевидно, что для внешнего управления таким прибором мог использоваться только аналоговый интерфейс. Он имел название CV/Gate. На вход CV подавалось управляющее напряжение (Control Voltage), пропорциональное высоте ноты, на вход Gate - импульс (trigger), от которого стартовала и выключалась нота.

Существовало несколько вариантов CV/Gate-интерфейса. Наиболее широко использовался вариант, предложенный фирмой Roland. В нем CV-напряжение увеличивалось на 1 В при увеличении высоты тона на октаву. Gate-сигнал, называемый Voltage Trigger (V-Trigger), представлял собой положительный импульс с шириной, равной времени удержания ноты в нажатом состоянии. Этот вариант наряду с Roland использовали в своих инструментах фирмы Sequential Circuits и ARP. В синтезаторах Moog использовался другой тип Gate-сигнала, который назывался S-Trigger. Существовали инструменты и с другими параметрами CV/Gate-сигналов. Часто управляющее напряжение изменялось по закону 1,2 В на октаву.

Применялся также сигнал под названием Trigger, представлявший собой короткий импульс. Многие синтезаторы с арпеджиатором имели специальный вход для таких сигналов (clock input). Как только на вход поступал импульс, запускалась очередная нота арпеджио. Генерировали сигнал Trigger многие драм-машины и аналоговые секвенсоры (чаще всего каждую 8-ю или 16-ю ноты, но иногда расстояние между импульсами можно было задавать произвольно). Сигнал Trigger мог быть подан и на вход Gate синтезатора.

Главный недостаток CV/Gate-интерфейса состоял в том, что с помощью него в каждый момент времени можно было управлять извлечением только одной ноты. Для полифонических инструментов необходимо было столько CV/Gate-интерфейсов, сколько голосов полифонии имел инструмент. Кроме того, информация о действиях исполнителя в CV/Gate-системах весьма скудная, практически - это только высота взятой ноты и сам факт ее взятия/снятия.

В середине 70-х компания Oberheim выпустила первый доступный по цене полифонический синтезатор Two Voice. Инструмент был прост в использовании, имел встроенную клавиатуру, полифонию в два голоса и несложный набор органов управления, с помощью которых можно было быстро создавать красивые, богатые звуки. Инструмент имел, в отличие от своих предшественников, небольшие размеры и простой способ программирования. Вскоре после этого начали появляться полифонические инструменты других фирм: Sequential Circuits, Yamaha, Moog, Roland, ARP. Они стали очень популярны в растущей массе электронных музыкантов.

После полифонии, следующим наиболее важным нововведением стала программируемая память. В синтезаторе появился небольшой компьютер, который позволял сохранить в памяти инструмента положение всех ручек и кнопок на передней панели, что открыло новые возможности для живого исполнения. Кроме того, компьютер отслеживал нажатия клавиш и передавал высоту взятых нот на звуковые генераторы. Это как раз и позволило в дальнейшем применить цифровые интерфейсы управления.

До появления памяти каждый инструмент нужно было программировать заранее, а во время концерта он мог производить только один звук. Поэтому на концертах таких музыкантов, как Keith Emerson и Rick Wakeman, можно было увидеть огромные "стеллажи" из клавиатур. Для подготовки всего этого добра к концерту и объединения в рабочий ансамбль требовались часы работы. Когда память стала доступна, один инструмент мог быть запрограммирован на несколько звуков, а нужный звук выбирался нажатием одной кнопки прямо во время концерта.

Но сколько разных синтезаторов - столько характеров. Одни производили замечательные звуки трубы, другие - звуки струнных, третьи - спецэффекты. Музыкантам хотелось взять лучшее с каждого инструмента и получить единую, прекрасно звучащую систему.

В то время была распространена техника игры на двух клавиатурах одновременно, что позволяло создавать многослойные звуки. Например, одну и ту же партию можно было играть обеими руками, правой рукой на инструменте, который силен в струнных, левой - на инструменте с прекрасной секцией медных духовых. Это было довольно сложно, разрабатывалась даже своя техника игры под систему из конкретных моделей синтезаторов.

Все эти приемы служили одной цели - выжать максимум из новых инструментов. Наслоение звуков различных синтезаторов стало одним из исполнительских приемов, визитной карточкой многих музыкантов того времени.

В конце 70-х годов в синтезаторах начала широко применяться цифровая электроника, что было вызвано удешевлением микропроцессоров и массовым производством интегральных схем. Многие блоки синтезаторов было выгоднее производить из компактных, дешевых и более стабильных во времени цифровых компонентов. Естественно, вопрос об управлении инструментами возник с новой силой: аналоговые CV/Gate интерфейсы совсем уже не подходили под новые цифровые технологии формирования звука. В результате, в начале 80-х синтезаторы стали оснащаться цифровым интерфейсом.

Появились такие инструменты, как Oberheim OB-X (1981) и Rhodes Chroma (1982), которые могли быть подсоединены к другому инструменту той же модели и фирмы. Например, Oberheim OB-X можно было подключить к другому Oberheim OB-X (всего до трех инструментов одновременно). Когда музыкант играл на клавиатуре одного из них, оба инструмента звучали одновременно. Это был огромный прогресс - ведь для получения многослойных звуков можно было играть на одной клавиатуре. Однако главная проблема по-прежнему не была решена: как соединить друг с другом инструменты разных производителей и разных моделей.

Herbie Hancock, например, пытался решить этот вопрос собственными силами. Он дорабатывал свои синтезаторы цифровыми интерфейсами, выполненными на заказ. И они работали!

В то же время все больше и больше музыкантов обращалось к производителям синтезаторов с просьбой сделать для них собственный цифровой интерфейс. Масло в огонь подлило и появление первых цифровых секвенсоров, таких как Roland MC 4 Micro Composer и Oberheim DSX. Если бы инструменты разных производителей были совместимыми, музыкант мог бы "забить" партии в эти секвенсоры, а потом воспроизвести, используя целую группу синтезаторов. Но, увы...

Незадолго до появления MIDI фирма Roland разработала цифровой интерфейс DCB, который использовался только в двух синтезаторах (Juno 60 и Jupiter 8) и секвенсоре MSQ 700. Интерфейс DCB обеспечивал базовые возможности по извлечению звуков посредством команд взятия и снятия ноты.

Нужно отметить, что наряду с попытками соединения синтезаторов друг с другом, еще в 60-х годах предпринимались попытки подключения синтезатора к компьютеру. Но они не приводили к заметным практическим результатам из-за колоссальной стоимости компьютеров. В конце 70-х - начале 80-х существовало несколько несовместимых между собой интерфейсов, производимых кустарно или мелкими фирмами. Только разработчик такой компьютерной системы мог написать программное обеспечение для нее. Обычно подобные системы создавались путем добавления в компьютер специальных плат, которые либо напрямую генерировали звук (сравните с современными виртуальными синтезаторами!), либо генерировали несколько каналов управляющего напряжения для модульных синтезаторов.

Рождение MIDI
Итак, к началу 80-х годов прошлого века потребность создания универсального интерфейса была осознана многими ведущими производителями. Задача стояла такая: разработать стандарт передачи действий исполнителя в цифровой форме между всеми типами электромузыкальных инструментов. Первый обмен мнениями на эту тему, в котором участвовали Ikutaro Kakehashi (президент Roland), Tom Oberheim (Oberheim) и Dave Smith (президент Sequential Circuits), произошел в июне 1981 года на выставке NAMM.

Dave Smith начал работу с изучения литературы по компьютерным сетям. При разработке сетевых протоколов составлялись две спецификации - аппаратного соединения устройств и формата передаваемых по сети сообщений. При этом внутренняя работа компьютера оставалась обособленной, он представлялся для других участников сети чем-то вроде "черного ящика", который реагировал на сообщения в соответствии со стандартом. Такой подход был выбран и для соединения музыкальных инструментов. В результате удалось избежать зависимости языка общения инструментов от их устройства. Это основной принцип MIDI, и он остался с тех пор неизменным. Именно благодаря ему протокол продолжает свою непомерно долгую, по компьютерным меркам, жизнь.

К осени 1981 года Smith подготовил первую версию своего протокола под названием USI (Universal Synthesizer Interface). В октябре того же года на выставке в Японии произошла встреча представителей фирм Sequential, Roland, Korg, Yamaha и Kawai, на которой USI была представлена японцам, а в ноябре на конгрессе AES в Нью-Йорке Dave Smith официально представил спецификацию. Японские производители работали в то время над собственным стандартом, который был сложнее USI.

В январе 1982 года на выставке NAMM фирма Sequential Circuits организовала встречу, которую посетили большинство производителей синтезаторов. На встрече выяснилось, что остальные американские компании по разным причинам не хотят участвовать в создании единого интерфейса. После встречи, Sequential Circuits и японские фирмы (Roland, Korg, Yamaha, Kawai) решили продолжать совместную работу независимо от остальных. Пять месяцев спустя, на июньской выставке NAMM были представлены плоды этой международной разработки. Пришло время для официального названия интерфейса. USI было отвергнуто, поскольку слово "universal" (универсальный, всеобщий) могло вызвать юридические проблемы. Японцы предложили UMII (Universal Music Instrument Interface). Но поскольку это название также содержало слово "universal", Dave Smith предложил исправить его на MIDI, с чем все и согласились.

В октябре 1982 года была закончена предварительная спецификация MIDI. В декабре вышел Sequential Circuits Prophet 600 - первый синтезатор, оборудованный MIDI-интерфейсом. А в январе 1983 года на выставке NAMM произошло соединение Prophet 600 и Roland Jupiter 6 по MIDI. В марте появился Roland JX 3 P, а в июне - Yamaha DX 7.

До появления MIDI синтезаторы состояли из двух компонентов в "одном флаконе". Первый компонент - система звукообразования, которая фактически производила звук. Второй компонент - контроллер, обычно клавиатура, которая служила для преобразования действий исполнителя в напряжение и ток, то есть в язык, понятный первому компоненту. Этому процессу даже придумали имя - "захват исполнительских штрихов".

Протокол MIDI сделал различие между двумя компонентами явным, по сути - разорвал их взаимосвязь. Теперь любой контроллер мог управлять любым звуковым генератором. Это имело огромное психологическое значение - музыкант мог свободно подбирать необходимое оборудование, без боязни, что оно устареет через полгода, как это происходит с другими электронными устройствами.

Хотя фирмы совместно работали над MIDI, на рынке они по-прежнему являлись конкурентами. Поэтому некоторые фирмы добавляли собственные спецификации к MIDI, в отдельных случаях неверно интерпретируя существующие параметры (как по недоразумению, так и умышленно), в то время как все не связанные с MIDI компании критиковали этот интерфейс. В то же время фирмы, связанные с MIDI, не могли раскрыть конкурентам все тайны. Например, Sequential Circuits планировали выпуск мультитембрального инструмента (Six-Trak) и предлагали внести необходимые для этого возможности в спецификации, но меньше всего хотели, чтобы об их планах узнали японские производители.

Тем не менее, было необходимо скоординировать работы по MIDI инструментам, и в середине 1983 года в Японии был сформирован комитет по MIDI-стандартам (JMSC). В августе того же года была обнародована спецификация MIDI 1.0. Также в 1983 году была сформирована международная группа пользователей MIDI (IMUG - International MIDI Users Group), которая впоследствии превратилась в IMA - международную MIDI-ассоциацию. Однако она представляла пользователей, а не производителей, и не могла оказывать на них серьезное влияние. Поэтому в июне 1984 года была сформирована ассоциация MIDI-производителей (MMA - MIDI Manufacturers Association).

Организации MMA и JMSC совместно занимаются всей деятельностью по стандартизации и расширению протокола MIDI. Любой зарегистрированный член этих организаций может предложить свое дополнение в протокол, после чего оно будет вынесено на голосование.

1983 - 2003
Протокол MIDI открыл огромные возможности компьютерного синтеза и управления звуком. Компьютеры начали использоваться в качестве средства управления синтезаторами (в качестве секвенсора или программы-композитора, производящей управляющие воздействия на основе специальных алгоритмов).

В 1984 году Jim Miller выпустил программу Personal Composer для IBM PC, которая представляла собой MIDI-секвенсор и позволяла распечатывать ноты. Фирмы Passport Designs и Sequential Circuits представили четырех- и восьмидорожечные программы-секвенсоры для компьютеров Apple II и Commodore 64. Фирма Roland выпустила гитарный MIDI-контроллер GR 700, а также синхронизатор и SMPTE-интерфейс SBX 80, который произвел революцию в деле синхронизации драм-машин и секвенсоров с аналоговыми магнитофонами. Yamaha представила цифровую задержку D 1500 - первый процессор эффектов, пресеты которого можно было менять посредством MIDI-сообщения Program Change. В приборе Emulator II фирмы Emu впервые сочетаются MIDI-, SMPTE- и компьютерное управление.

1985 год ознаменовался захватом европейского рынка компьютерами Atari, имеющими встроенные MIDI-порты. Фирмы MOTU и Opcode выпускают программные MIDI-секвенсоры под Macintosh. В это же время Yamaha разрабатывает аппаратный секвенсор QX 1 с памятью на 80000 нот и возможностью редактирования списка MIDI-событий. В следующем году компьютеры PC начинают завоевывать рынок. Для PC появляется множество программ, использующих MIDI. Фирма Lexicon выпускает ревербератор PCM 70 - первый процессор эффектов, параметрами пресетов которого можно управлять по MIDI.

Сам протокол также не стоит на месте. Разработанный с учетом на дальнейшее расширение, он пополняется новыми возможностями. В марте 1987 года добавлен MIDI Time Code (синхросигнал для взаимодействия MIDI-устройств с магнитофонами и другим оборудованием, работающими с таймкодом SMPTE), в мае 1987 - Sample Dump Standard (протокол передачи семплов по MIDI). В декабре 1988 появляется сообщение Reset all controllers (обнулить все контроллеры), в апреле 1990 - сообщение Bank Select (выбор банка).

В 1990 году фирма Opcode выпускает MIDI-аудиосеквенсор Studio Vision для Macintosh, а также программу Galaxy - универсальный редактор/библиотекарь MIDI-устройств. В мае 1991 протокол пополняется сообщением All sounds off (снять все звуки), в июле 1991 - командами управления световыми и пиротехническими приборами MIDI Show Control, а также форматом стандартных MIDI-файлов (SMF - Standard MIDI Files) для платформо-независимого хранения и обмена данными секвенсоров. В октябре 1991 появляется стандарт General MIDI, в котором определены некоторые минимальные требования к GM-совместимым устройствам и названия звуков закреплены за номерами пэтчей. Появляется и первый GM-совместимый звуковой модуль Roland SC 55 Sound Canvas. Фирма Opcode выпускает MIDI-расширение OMS (Opcode Music System) для операционной системы компьютера Macintosh.

В декабре 1991 выходит MIDI Tuning Specification - способ тонкого управления строем инструментов. В январе 1992 протокол MIDI окончательно интегрируется в студию звукозаписи - появляется стандарт MIDI Machine Control, который позволяет управлять по MIDI транспортными функциями записывающих устройств.

С приходом Microsoft Windows 3.1 у пользователей PC появляется поддержка MIDI на уровне операционной системы. Выходит программа Cakewalk для Windows, программа Cubase, ранее выпускавшаяся для Atari и Macintosh, становится доступна на PC. 1993 год - начало бума мультимедиа. Для PC появляются звуковые платы с MIDI-интерфейсом. MIDI-технология активно эксплуатируется в двух секторах рынка: профессиональном и любительском.

Начинают свое развитие виртуальные студии на базе персонального компьютера. Виртуальные синтезаторы, процессоры эффектов и другие программы взаимодействуют по MIDI с внешним миром (и даже друг с другом, внутри одного компьютера, соединяясь виртуальным MIDI-кабелем).

В мае 1996 года выходит спецификация Downloadable Sounds (DLS) Level 1, которая позволяет дополнять собственными звуками наборы имеющихся в устройстве пэтчей General MIDI.

За последние пять лет организация MMA выпустила более десятка новых спецификаций. Январь 1998 - SMF Lyrics Specification (текст к песням в стандартных MIDI-файлах), январь 1999 - MIDI Tuning Bank and Dump Extensions (новые сообщения для тонкой подстройки инструментов) и спецификация DLS Level 1 версии 1.1, июнь 1999 - SMF Language and Display Extensions (хранение и отображение символов в MIDI-файлах), сообщения SMF Device Name and Program Name (воспроизведение MIDI-файла на нескольких устройствах одновременно), ноябрь 1999 - General MIDI 2.

В феврале 2000 года предложен новый формат RMID, который позволяет объединить в одном файле данные стандартного MIDI-файла и DLS-файла. В октябре 2000 – MIDI Media Adaptation Layer for IEEE-1394 (способ передачи MIDI-сообщений по протоколу FireWire), в августе 2001 – спецификация DLS Level 2.1, в ноябре 2001 – General MIDI Lite (для мобильных применений и портативных устройств), а также спецификация XMF (eXtensible Music Format), которая предлагается взамен формата RMID.

Последним дополнением (май 2002) является Scalable Polyphony MIDI Specification - способ, позволяющий воспроизводить один и тот же MIDI-файл максимально корректно вне зависимости от доступной полифонии.

Несмотря на все эти добавления, MIDI спецификация по-прежнему имеет версию 1.0.

Основы
MIDI - это протокол связи между устройством управления, генерирующим команды, и подчиненным устройством, выполняющим эти команды. Если очень сильно сузить это определение, то можно привести типичный пример: MIDI позволяет исполнителю нажать клавишу на одном инструменте, а получить при этом звук другого или даже нескольких. Любые воздействия исполнителя на органы управления (нажатие клавиш, педалей, изменение положений регуляторов и т. п.) могут быть преобразованы в команды, которые можно передать по MIDI-кабелю на другие инструменты. Эти инструменты, получая команды, обрабатывают их так же, как и при воздействии на их собственные органы управления.

На самом деле протокол MIDI не конкретизирует состав взаимодействующих устройств и не требует наличия живого исполнителя. Суть протокола в том, что в некой системе, состоящей из нескольких устройств, одно устройство (мастер) генерирует команды управления, а все другие устройства (подчиненные) выполняют эти команды. Если подчиненные устройства являются источниками звука (синтезаторы, звуковые модули, семплеры, драм-машины, одним словом, тон-генераторы), то они управляются командами, связанными со звукообразованием: например, "взять ноту До первой октавы" или "переключить тембр на номер 5". Если подчиненные устройства выполняют другие функции, например, обработку аудиосигнала, то и команды для них будут несколько иными. Как бы там ни было, прибор, получает команды управления через свой MIDI-вход (MIDI In).

В качестве мастер-устройства может выступать любой прибор, имеющий MIDI-выход (MIDI Out) и способный посылать на этот выход команды управления. Мастер-устройства можно разделить на два типа: устройства, на которые непосредственно воздействует исполнитель (например, синтезатор) и устройства, которые генерируют управляющие команды автоматически (без участия исполнителя), на основе ранее введенных данных. Типичным примером устройства последнего типа является секвенсор.

Секвенсор напоминает магнитофон, только записывает он не звук, а команды управления, и не на ленту, а в память компьютера (в широком смысле слова, это может быть и встроенный компьютер синтезатора). Секвенсор позволяет записать действия исполнителя (включая динамику исполнения, стиль, штрихи и т. п.), а затем воспроизвести их в первозданном виде, точно так же, как если бы исполнитель снова сел за инструмент и сыграл то же самое. Кроме того, в секвенсоре можно редактировать записанную информацию способами, невыполнимыми на магнитофоне: транспонировать партии или отдельные ноты, изменять ритмическую позицию событий или тембр, которым синтезатор будет воспроизводить партию.

Протокол MIDI разрабатывался для управления синтезаторами, а в них, как известно, самый главный орган управления - клавиатура. Неудивительно поэтому, что разработчики MIDI для описания действий исполнителя выбрали принцип клавишного инструмента.

MIDI является выраженным клавишно-ориентированным протоколом.

Это не означает, что управлять тон-генератором можно только с клавиатуры - существуют множество других способов ввода, например, электронные пэды и целые ударные установки, гитарные или духовые контроллеры (о них мы поговорим отдельно и более подробно). Однако, какое бы средство ввода не использовалось, сообщения от него преобразуются в клавишно-ориентированные.

Приемы звукоизвлечения, нехарактерные для клавишного инструмента, могут быть лишь сымитированы средствами MIDI с той или иной степенью достоверности.

Коммутация
Как же соединяются устройства в MIDI? Представим себя на месте разработчиков. У нас есть два синтезатора, и мы хотим, чтобы при нажатии клавиши на одном из них второй синтезатор сыграл ту же ноту, но своим звуком. Очевидно, для этого нужно сделать на первом синтезаторе выходной MIDI-разъем, а на втором - входной MIDI-разъем и соединить инструменты MIDI-кабелем. Первый синтезатор при нажатии клавиши должен генерировать сообщение о взятии ноты и посылать его на свой выход, а второй синтезатор - получать это сообщение через вход и воспроизводить звук (рис. 3).